KR102655643B1 - 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법 - Google Patents

이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 링을 포함하는 이중 회전자 구조 영구자석 동기 전동기에서, 고정자의 토크가 내측 회전자와 외측 회전자에 전달되면서 불가피하게 발생되는 자기적 간섭성분을 전향 보상으로 상쇄시킴으로써, 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생되는 현상을 억제하여 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 최소화 할 수 있도록 한 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 관한 것으로서, 최외곽에 고정자가 위치하며, 가장 내측에는 내측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 내측 회전자 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 외측 회전자 사이에는 영구자석 링이 위치하는 동기 전동기의 속도를 제어하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 내측 회전자에 대한 속도 지령에서 상기 내측 회전자의 현재 속도를 감산하여 오차를 연산하는 단계; (b) 상기 단계(a)의 오차를 비례적분하여 상기 고정자의 토크 지령을 생성하는 단계; (c) 상기 고정자에서 발생한 토크가 상기 내측 회전자 및 상기 외측 회전자에 대하여 발생시키는 자기적 간섭성분을 연산하는 단계; 및 (d) 상기 고정자의 토크 지령에서 상기 자기적 간섭성분을 감산하여 토크 지령을 전향 보상하는 단계를 포함한다.

Description

이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법{CONTROL METHOD FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR HAVING DOUBLE ROTORS STRUCTURE}
본 발명은 고정자와 내측 회전자 사이에 자극편으로 구성된 외측 회전자가 위치하며 고정자의 내측에는 영구자석 링이 배치되는 PDD(Pseudo Direct Drive) 타입의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 억제할 수 있는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도 차량용 구동 시스템은 동력원으로서 영구자석 동기 전동기를 사용하고 있다. 종래에는 단일 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기가 사용되었지만, 최근 들어 동력 전달 효율을 높이기 위해 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기를 적용하려는 시도가 증가하고 있다.
마그네틱 기어와 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)이 결합된 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기는 기존 영구자석에 비해 작은 공간을 차지하면서도 높은 토크 출력을 가진다.
도 1은 종래 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기를 예시한 분해사시도이다. 도 1을 참조하면, 이중 회전자 영구자석 동기 전동기는 최외곽에 고정자(100)가 위치하며, 가장 내측에는 영구자석(310)을 포함한 내측 회전자(300)가 위치한다. 고정자(100)에 구비된 슬롯(110)에는 코일(120)이 권취된다. 고정자(100)와 내측 회전자(300) 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자(200)가 위치한다.
도시된 이중 회전자 영구자석 전동기는 자속 변조효과를 발생시키기 위하여 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200)의 극쌍수를 동일하게 설계해야 한다. 그럼에도 불구하고 고정자(100)에서 발생한 토크가 각 회전자의 극수비에 따라 동시에 병렬로 전달됨에 따라, 전동기의 속도를 제어할 때 부하 토크의 변동에 의해 어느 하나의 회전자 속도 변동이 다른 회전자에 영향을 미치게 된다. 즉, 종래 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기의 속도 제어는 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200)의 상대속도 제어를 의미한다. 이로 인해 전동기 제어 시에 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동이 발생되는 문제가 있다.
대한민국 특허공개 제10-2021-0059235호 대한민국 특허공개 제10-2006-0022376호
본 발명은 영구자석 링을 포함하는 이중 회전자 구조 영구자석 동기 전동기를 안정적으로 제어하기 위한 방법에 관한 것으로서, 고정자의 토크가 내측 회전자와 외측 회전자에 전달되면서 불가피하게 발생되는 자기적 간섭성분을 전향 보상으로 상쇄시킴으로써, 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생되는 현상을 억제하여 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 최소화 할 수 있도록 한 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 최외곽에 고정자가 위치하며, 가장 내측에는 내측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 내측 회전자 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 외측 회전자 사이에는 영구자석 링이 위치하는 동기 전동기의 속도를 제어하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 내측 회전자에 대한 속도 지령에서 상기 내측 회전자의 현재 속도를 감산하여 오차를 연산하는 단계; (b) 상기 단계(a)의 오차를 비례적분하여 상기 고정자의 토크 지령을 생성하는 단계; (c) 상기 고정자에서 발생한 토크가 상기 내측 회전자 및 상기 외측 회전자에 대하여 발생시키는 자기적 간섭성분을 연산하는 단계; 및 (d) 상기 고정자의 토크 지령에서 상기 자기적 간섭성분을 감산하여 토크 지령을 전향 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 단계(c)는 아래의 수학식 11을 통해 상기 자기적 간섭성분을 연산한다.
[수학식 11]
Figure 112022064360715-pat00001
여기서
Figure 112022064360715-pat00002
은 상기 자기적 간섭성분이고,
Figure 112022064360715-pat00003
은 상기 내측 회전자의 극쌍수이고,
Figure 112022064360715-pat00004
은 상기 외측 회전자의 극쌍수이고,
Figure 112022064360715-pat00005
는 상기 내측 회전자에서 상기 외측 회전자로 전달할 수 있는 최대 토크이고,
Figure 112022064360715-pat00006
는 상기 내측 회전자와 상기 외측 회전자의 전기각 차이이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 내측 회전자와 상기 외측 회전자의 전기각 차이는 아래의 수학식 2를 통해 연산된다.
[수학식 2]
Figure 112022064360715-pat00007
여기서,
Figure 112022064360715-pat00008
은 내측 회전자의 속도이고,
Figure 112022064360715-pat00009
은 외측 회전자의 속도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 내측 회전자의 속도와 상기 외측 회전자의 속도는 측정에 의해 얻어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 내측 회전자의 속도는 측정에 의해 얻어지며, 상기 외측 회전자의 속도는 추정에 의해 결정된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 외측 회전자의 속도를 추정하는 것은, (i) 상기 고정자에 권취된 코일에 추정 전류를 인가하여 상기 동기 전동기를 강제 기동하는 단계; (ii) 상기 코일의 각 상의 합성 기전력을 추정하는 단계; 및 (iii) 상기 합성 기전력을 이용하여 상기 외측 회전자의 위치 오차를 추정하는 단계; 및 (iv) 상기 위치 오차에 기반하여 상기 외측 회전자의 속도를 추정하는 단계를 포함하여 결정된다.
본 발명의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 따르면, 영구자석 링을 포함하는 이중 회전자 구조 영구자석 동기 전동기에 대하여 내측 회전자의 현재 속도와 외측 회전자의 현재 속도를 측정하고, 이 측정값을 이용하여 두 회전자에 가해지는 자기적 간섭성분을 전향 보상으로 상쇄시킴으로써, 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생되는 현상을 억제하여 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 최소화 할 수 있고, 전동기의 제어계 구성을 간소화 할 수 있고, 철도차량의 안정성, 내구성 및 승차감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 도 1은 종래 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기를 예시한 분해사시도,
도 2는 PDD 타입의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기를 예시한 단면도,
도 3은 도 2의 동기 전동기를 마그네틱 스프링을 적용하여 기계적으로 모델링한 블록도,
도 4는 도 3의 모델링과 수학식 1을 이용하여 본 발명에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 과정을 모델링한 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 전향보상을 적용하기 전의 속도 제어기 블록도,
도 6은 본 발명에 따라 전향보상을 적용한 후의 속도 제어기 블록도,
도 7은 도 6의 속도 제어 방식에 따라 도 4의 모델을 간소화 한 블록도,
도 8은 본 발명에 따른 전향보상을 적용하기 전의 모의해석 결과를 보인 파형도, 및
도 9는 본 발명에 따라 전향보상을 적용한 후의 모의해석 결과를 보인 파형도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은 배경기술로서 예시된 마그네틱 커플링 타입1의 동기 전동기가 아닌 마그네틱 커플링 타입2의 이중 회전자 영구자석 동기 전동기(DR-PMSM, Dual-Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor), 예컨대 PDD(Pseudo Direct Drive) 타입의 DR-PMSM을 대상으로 하는 제어 방법이다. 본 발명에 대하여 상세하게 설명하기에 앞서 PDD 타입의 DR-PMSM 구조에 대하여 도 2를 참조하여 간략하게 설명한다.
도 2는 PDD 타입의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기를 예시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제어 대상인 DR-PMSM은 최외곽에 고정자(100)가 위치하며, 가장 내측에는 영구자석(310)을 포함한 내측 회전자(300)가 위치한다. 고정자(100)에 구비된 슬롯(110)에는 코일(120)이 권취된다. 고정자(100)와 내측 회전자(300) 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자(200)가 위치한다. 여기까지는 마그네틱 커플링 타입1의 DR-PMSM과 동일하다. 다른 점은, 고정자(100)와 외측 회전자(200) 사이에는 영구자석 링(210)이 위치한다는 것이다.
도 2에 예시된 마그네틱 커플링 타입2의 동기 전동기는 고정자(100)의 극쌍수와 내측 회전자(300)의 극쌍수를 동일하게 설계하여 고정자(100)에서 발생하는 회전자계와 내측 회전자(300)가 동기 회전할 수 있다. 이때 내측 회전자(300)의 자속이 자극편을 통해 변조된다. 변조된 자속은 영구자석 링(210)과 동기화 될 수 있는 고조파 성분에 대해 상호작용하게 된다. 영구자석 링(210)은 고정되어 있으며 내측 회전자(300)가 회전하게 되면 변조된 자속의 고조파를 동기시키기 위해 외측 회전자(200)가 회전한다.
마그네틱 커플링 타입2의 동기 전동기는 영구자석 링(210)에 의해 배경기술에서 예시한 마그네틱 커플링 타입1의 동기 전동기에 비해 역률이 좋고, 자속 변조 효과를 이용하는 변조장치들에 비해 효율과 출력이 높은 장점이 있다.
도 3은 도 2의 동기 전동기를 마그네틱 스프링을 적용하여 기계적으로 모델링한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 영구자석 링(210)이 부가된 DR-PMSM의 회전원리를 마그네틱 스프링이 부가된 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200)간 토크 전달 모델로 나타낼 수 있다. 도면부호 400은 동기 전동기에 연결된 부하이다.
[수학식 1]
Figure 112022064360715-pat00010
[수학식 2]
Figure 112022064360715-pat00011
수학식 1은 마그네틱 스프링의 토크 전달특성을 나타내며, 수학식 2는 수학식 1에서 전기각 차이를 나타낸다. 여기서,
Figure 112022064360715-pat00012
은 외측 회전자의 토크이고,
Figure 112022064360715-pat00013
는 내측 회전자에서 외측 회전자로 전달할 수 있는 최대 토크이고,
Figure 112022064360715-pat00014
는 내측 회전자와 외측 회전자의 전기각 차이이고,
Figure 112022064360715-pat00015
은 내측 회전자의 극쌍수이고,
Figure 112022064360715-pat00016
은 내측 회전자의 속도이고,
Figure 112022064360715-pat00017
은 외측 회전자의 극쌍수이고,
Figure 112022064360715-pat00018
은 외측 회전자의 속도이다.
수학식 1과 수학식 2를 통해 마그네틱 스프링의 토크 전달 특성은 내측 회전자와 외측 회전자의 전기각 차에 의해 결정됨을 알 수 있다.
도 4는 도 3의 모델링과 수학식 1을 이용하여 본 발명에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 과정을 모델링한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 전류 지령(
Figure 112022064360715-pat00019
)에 제어 상수(
Figure 112022064360715-pat00020
, 410)를 승산하여 고정자(100)에 대한 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00021
)이 출력된다. 감산부(420)는 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00022
)에서 후술하는 자기적 간섭성분(
Figure 112022064360715-pat00023
)을 감산하며, 내측 회전자 전달요소(430)를 통해 내측 회전자의 속도(
Figure 112022064360715-pat00024
)가 결정된다. 내측 회전자 전달요소(430)의 전달함수는 관성모멘트(
Figure 112022064360715-pat00025
)를 미분한 값과 마찰계수(
Figure 112022064360715-pat00026
)의 합의 역수로 나타낼 수 있다.
감산부(450)는 내측 회전자의 속도(
Figure 112022064360715-pat00027
)에 내측 회전자의 극쌍수(
Figure 112022064360715-pat00028
, 440)를 승산한 값에서 외측 회전자의 속도(
Figure 112022064360715-pat00029
)에 외측 회전자의 극쌍수(
Figure 112022064360715-pat00030
, 500)를 승산한 값을 감산한다. 이 감산 결과에 토크 상수 전달요소(460)의 전달함수를 승산한 경과 외측 회전자의 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00031
)이 출력된다. 토크 상수 전달요소(460)에서
Figure 112022064360715-pat00032
는 마그네틱 스프링으로 표현되는 회전자간 토크 전달 제어 상수를 나타내며,
Figure 112022064360715-pat00033
는 라플라스 연산자를 나타낸다. 외측 회전자의 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00034
)에 내측 회전자와 외측 회전자의 극쌍수 비(
Figure 112022064360715-pat00035
, 470)를 승산한 값이 피드백 제어의 오차 연산을 위해 제공된다.
감산부(480)는 외측 회전자의 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00036
)에서 부하 토크(
Figure 112022064360715-pat00037
)를 감산하고, 그 결과가 외측 회전자 전달요소(490)를 통해 출력되어 외측 회전자의 속도(
Figure 112022064360715-pat00038
)가 결정된다. 외측 회전자 전달요소(490)의 전달함수는 관성모멘트(
Figure 112022064360715-pat00039
)를 미분한 값과 마찰계수(
Figure 112022064360715-pat00040
)의 합의 역수로 나타낼 수 있다.
이때, 고정자 토크(
Figure 112022064360715-pat00041
)를 지령으로 하여 내측 회전자(300)가 회전될 때, 도 3의 모델에서 마그네틱 스프링이 비틀어지면서 외측 회전자(200)로 토크가 전달된다. 이와 동시에 마그네틱 스프링의 비틀림 토크가 내측 회전자(300)에도 되돌아오는 자기적 간섭성분이 발생한다.
도시한 바와 같이 마그네틱 스프링을 이용하여 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200) 사이의 토크 전달 과정을 모델링할 경우, 마그네틱 스프링의 비선형적인 Sin 성분과 자기적 간섭성분에 의해 공진점이 발생하게 된다. 공진점은 도 4에 예시된 모델링의 전달함수를 통해 확인할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112022064360715-pat00042
[수학식 4]
Figure 112022064360715-pat00043
수학식 3과 수학식 4는 각각 고정자 토크와 부하 토크에 대한 내측 회전자 속도와 외측 회전자 속도의 전달함수를 나타낸다. 위 두 식을 중첩의 원리를 이용하여
Figure 112022064360715-pat00044
에 대한 각 회전자 속도의 전달함수로 나타내면 다음의 수학식 5 및 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112022064360715-pat00045
[수학식 6]
Figure 112022064360715-pat00046
즉, 고정자에서 발생한 토크에 대한 내측 회전자 속도의 전달함수인 수학식 5에는 영점(Zero)이 존재하며, 외측 회전자 속도의 전달함수인 수학식 6에서는 영점(Zero)이 없는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 영점(Zero)은 반공진점을 나타내며 이는 내측 회전자를 회전시킬 수 없는 주파수 대역이 존재한다는 것을 의미한다. 이는 운전 특성을 저하하는 요소로 제어기 대역폭 선정 시 해당 영역을 피해서 설계할 필요가 있다.
수학식 5와 6의 극점(Pole)은 공진 주파수를 의미하며, 내측과 외측에서 발생하는 공진주파수가 동일한 것을 확인할 수 있다. 수학식 5와 6의 영점(Zero)과 극점(Pole)을 통해 반공진 주파수와 공진 주파수를 수식으로 나타내면 다음의 수학식 7과 8로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
[수학식 8]
여기서,
Figure 112022064360715-pat00049
는 상기한 반공진 주파수이고,
Figure 112022064360715-pat00050
은 상기한 공진 주파수이다. 수학식 7과 8을 통해 반공진 주파수와 공진 주파수는
Figure 112022064360715-pat00051
와 각 회전자의 관성모멘트에 영향을 받는 것을 알 수 있다. 특히 부하의 영향으로 외측 회전자의 관성모멘트가 증가할 경우 공진 주파수는 낮은 주파수로 이동할 것임을 알 수 있다.
수학식 3과 4에서
Figure 112022064360715-pat00052
의 전달함수를 구한 것과 같이 중첩의 원리를 이용하여 부하토크
Figure 112022064360715-pat00053
에 대한 각 회전자 속도의 전달함수를 도출할 수 있다. 도출된 전달함수는 수학식 9와 10으로 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112022064360715-pat00054
[수학식 10]
Figure 112022064360715-pat00055
수학식 9와 10을 통해
Figure 112022064360715-pat00056
와 마찬가지로 부하 토크(
Figure 112022064360715-pat00057
)의 변동으로 각 회전자에 공진이 발생하는 것을 알 수 있다. 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생할 경우 차량에 떨림이 발생하고 철도차량의 안정성, 내구성 및 승차감에 문제를 발생하므로 반드시 해결되어야 하는 문제이다.
본 발명에서는 공진 현상을 감소시키기 위해 전향적 토크 보상 제어를 실시한다. 도 4를 참조하면, 부하 토크(
Figure 112022064360715-pat00058
)가 감산부(480), 외측 회전자 전달요소(490), 감산부(450), 토크 상수 전달요소(460), 감산부(420)를 거쳐 내측 회전자 전달요소(430)에 이르는 것을 확인할 수 있다. 즉, 부하 토크의 변화가 내측 회전자에 영향을 미치므로, 마그네틱 스프링에 의해 발생한 공진이 상단의 폐루프를 통해 내측 회전자(300)에 간섭을 준다. 이러한 자기적 간섭성분은 고정자(100)의 토크가 내측 회전자를 제어하는데 방해 요소가 되므로 상쇄시킬 필요가 있다.
[수학식 11]
Figure 112022064360715-pat00059
수학식 11을 통해 자기적 간섭성분을 계산할 수 있다. 여기서
Figure 112022064360715-pat00060
,
Figure 112022064360715-pat00061
,
Figure 112022064360715-pat00062
는 전동기의 파라미터이며 운전중 변하지 않는다고 가정한다.
Figure 112022064360715-pat00063
는 수학식 2에서와 같이 내측 회전자와 외측 회전자의 속도에 의해 결정된다. 따라서 내측 회전자와 외측 회전자의 속도를 알 수 있다면 자기적 간섭성분을 계산할 수 있다.
도 5는 수학식 11의 자기적 간섭성분을 고려하지 않은 즉, 전향보상을 적용하기 전의 속도 제어기 블록도이다. 도 6은 자기적 간섭성분을 고려한 즉, 전향보상을 적용한 후의 속도 제어기 블록도이다.
도 5를 참조하면, 제1 감산기(510)는 내측 회전자에 대한 속도 지령(
Figure 112022064360715-pat00064
)에서 내측 회전자의 현재 속도(
Figure 112022064360715-pat00065
)를 감산하여 오차를 연산한다. 속도 제어기(520)는 오차 검출 결과를 비례적분하여 고정자의 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00066
)을 생성한다. 이와 같은 일반적인 속도 제어를 실시할 경우 도 4에 도시된 바와 같이 자기적 간섭성분이 내측 회전자의 제어에 영향을 미치게 되며, 후술하는 모의해석 결과에서와 같이 부하 변동 시에 속도의 오버슈트나 진동이 발생될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 5와 비교하여, 제2 감산기(530)가 고정자의 토크 지령(
Figure 112022064360715-pat00067
)에서 수학식 11을 통해 연산된 자기적 간섭성분(
Figure 112022064360715-pat00068
)을 감산하여 토크 지령을 전향 보상하고 있다.
일 예로서, 내측 회전자의 속도와 외측 회전자의 속도를 측정한 후, 두 회전자의 전기각 차이로부터 자기적 간섭성분(
Figure 112022064360715-pat00069
)을 연산하고, 이를 속도 제어기(520)의 출력측에 보상함으로써, 자기적 간섭성분을 상쇄할 수 있다.
다른 예로서, 내측 회전자의 속도는 센서를 통해서 측정하고, 외측 회전자의 속도는 센서리스 로직을 통해 추정할 수 있다. 그리고, 두 회전자의 전기각 차이로부터 자기적 간섭성분(
Figure 112022064360715-pat00070
)을 연산하고, 이를 속도 제어기(520)의 출력측에 보상함으로써, 자기적 간섭성분을 상쇄할 수 있다.
외측 회전자의 속도를 추정하는 것은 다음과 같은 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 고정자에 권취된 코일에 추정 전류를 인가하여 동기 전동기를 강제 기동한다. 그리고 코일의 각 상의 합성 기전력을 추정한다. 합성 기전력의 추정 결과로부터 외측 회전자의 초기 위치에 대한 위치 오차를 추정할 수 있다. 마지막으로 위치 오차에 기반하여 외측 회전자의 속도를 추정한다.
도 7은 도 6의 속도 제어 방식에 따라 도 4의 제어 모델을 간소화 한 블록도이다. 즉, 도 6과 같은 전향 보상에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 이중 회전자 영구자석 동기 전동기의 모델링에서 상단의 루프를 제거하여 모델링을 간소화 할 수 있다. 자기적 간섭성분이 생략될 경우 고정자 토크(
Figure 112022064360715-pat00071
)와 내측 회전자 속도(
Figure 112022064360715-pat00072
)의 전달함수는 1차식으로 나타낼 수 있으며, 1차 선형제어기인 PI 제어기를 이용하여 쉽게 제어할 수 있게 된다.
도 8은 도 5와 같이 전향보상을 적용하기 전의 모의해석 결과를 보인 파형도이며, 도 9는 도 6과 같이 전향보상을 적용한 후의 모의해석 결과를 보인 파형도이다. 두 가지 모의해석에서 모두 동일한 1kw급 마그네틱 커플링 타입2의 DR-PMSM을 대상으로 하였으며, 전동기의 각 파라미터는 아래의 표 1과 같이 적용하였다.
[표 1]
스위칭 주파수는 8kHz로 선정하였으며, 전류 제어기의 대역폭은 스위칭 주파수의 1/25인 320kHz로 선정하였다.
도 8을 참조하면, 외측 회전자의 속도는 부하가 변동하는 0초, 2초, 5초에서 각각 1-2초간 진동이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 9를 참조하면, 전향보상을 실시할 경우 동일한 조건에서 부하 변동시에도 외측 회전자 속도의 오버슈트(overshoot)가 크게 경감하였으며 진동 또한 빠르게 소멸하는 것을 확인할 수 있었다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 고정자 110 : 슬롯
120 : 코일 200 : 외측 회전자
210 : 영구자석 링 300 : 내측 회전자
310 : 영구자석 400 : 부하
510 : 제1 감산기 520 : 속도 제어기
530 : 제2 감산기

Claims (6)

  1. 최외곽에 고정자가 위치하며, 가장 내측에는 내측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 내측 회전자 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 외측 회전자 사이에는 영구자석 링이 위치하는 동기 전동기의 속도를 제어하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 내측 회전자에 대한 속도 지령에서 상기 내측 회전자의 현재 속도를 감산하여 오차를 연산하는 단계;
    (b) 상기 단계(a)의 오차를 비례적분하여 상기 고정자의 토크 지령을 생성하는 단계;
    (c) 상기 고정자에서 발생한 토크가 상기 내측 회전자 및 상기 외측 회전자에 대하여 발생시키는 자기적 간섭성분을 아래의 수학식 11을 통해 연산하는 단계; 및
    (d) 상기 고정자의 토크 지령에서 상기 자기적 간섭성분을 감산하여 토크 지령을 전향 보상하는 단계
    를 포함하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
    [수학식 11]

    여기서 은 상기 자기적 간섭성분이고, 은 상기 내측 회전자의 극쌍수이고, 은 상기 외측 회전자의 극쌍수이고, 는 상기 내측 회전자에서 상기 외측 회전자로 전달할 수 있는 최대 토크이고, 는 상기 내측 회전자와 상기 외측 회전자의 전기각 차이이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내측 회전자와 상기 외측 회전자의 전기각 차이는 아래의 수학식 2를 통해 연산되는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112024024835417-pat00080

    여기서,
    Figure 112024024835417-pat00081
    은 내측 회전자의 속도이고,
    Figure 112024024835417-pat00082
    은 외측 회전자의 속도이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내측 회전자의 속도와 상기 외측 회전자의 속도는 측정에 의해 얻어지는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 내측 회전자의 속도는 측정에 의해 얻어지며, 상기 외측 회전자의 속도는 추정에 의해 결정되는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 외측 회전자의 속도를 추정하는 것은,
    (i) 상기 고정자에 권취된 코일에 추정 전류를 인가하여 상기 동기 전동기를 강제 기동하는 단계;
    (ii) 상기 코일의 각 상의 합성 기전력을 추정하는 단계; 및
    (iii) 상기 합성 기전력을 이용하여 상기 외측 회전자의 위치 오차를 추정하는 단계; 및
    (iv) 상기 위치 오차에 기반하여 상기 외측 회전자의 속도를 추정하는 단계
    를 포함하여 결정되는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
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